Методическая статья

FLEX: Протокол летных упражнений для дрозофилы дрозофилы

DOI:

10.3791/69217

⸱

14 октября 2025 г.

 ,  ,  ,  , 
1Department of Comparative Biomedical Sciences, LSU School of Veterinary Medicine

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Целью этого протокола является обеспечение полетных упражнений для плодовой мухи дрозофилы. Репрезентативные результаты показывают, что тренировки с упражнениями в полете приводят к увеличению аэробной способности и устойчивости к диете с высоким содержанием жиров.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Дрозофила в последнее время стала популярной моделью для изучения ожирения и связанных с ним расстройств. В то время как вызвать метаболические нарушения у дрозофил с помощью определенных диет относительно легко, создание модели упражнений для мух является более сложной задачей. Существующие методы, такие как силовая башня и беговое колесо, используют встряхивание или вращение флаконов, чтобы побудить мух подниматься вверх, используя их негативную реакцию геотаксиса. Тем не менее, непрерывное восхождение в течение длительного времени неестественно для мух и может привести к травмам и смертности, связанным с физическими упражнениями. В этой статье представлен новый протокол упражнений, который использует естественную способность мухи летать, предлагая более естественный, физиологичный и безтравматический подход к упражнениям. Эксперименты показывают, что 5-дневный режим упражнений в полете увеличивает биоэнергетическую способность мухи и противодействует неблагоприятным последствиям западной диеты (WD), улучшая альпинистское поведение и снижая смертность, связанную с WD. Этот протокол позволяет одновременно обучать большое количество мух изучению взаимодействия между физическими упражнениями и различными факторами, включая диету, лекарства, старение и генетику. В совокупности этот метод может дополнить существующие методы изучения влияния физических упражнений на физиологию и поведение мух.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Физическая активность и физические упражнения находятся в центре внимания интенсивных исследований на предмет их непосредственной и долгосрочной пользы для здоровья1. Благодаря своему мощному системному влиянию на обмен веществ, физические упражнения все чаще используются для профилактики и лечения метаболических, сердечно-сосудистых и неврологических расстройств 2,3,4. Несмотря на растущее количество доказательств многочисленных преимуществ для здоровья, связанных с регулярными физическими упражнениями, точные молекулярные механизмы, лежащие в основе этих преимуществ, остаютсяплохо изученными. Чтобы понять эти механизмы, необходимо использовать инновационные и высокопроизводительные модели на животных. В то время как модели грызунов обычно используются для изучения влияния физических упражнений на метаболические заболевания, такие исследования требуют значительных затрат, регулирующего надзора испециализированного оборудования.

В последнее время Drosophila melanogaster стала новой моделью для исследования биологии физических упражнений (обзор 8,9,10). Оснащенная широким спектром мощных генетических инструментов, коротким жизненным циклом, обширным потомством и экономичными требованиями к обслуживанию, плодовая муха представляет собой ценный ресурс для исследования генетических, эпигенетических и трансгенерационных механизмов. При моделировании упражнений на мухах современные методы обычно опираются на отрицательную геотаксису, поведенческую реакцию на подъем вверх11,12.

В одном из первых автоматизированных протоколов упражнений использовался специальный тренажер под названием Power Tower11. В силовой башне используется двигательный блок, который многократно поднимает флаконы с животными, а затем опускает их вниз, чтобы вызвать негативную реакцию геотаксиса11. Длительные физические упражнения в силовой башне приводят к значительному снижению возрастного снижения подвижности и сердечной работоспособности13. Кроме того, режим работы с силовой вышкой может быть стрессовым для мух, а чрезмерная интенсивность тренировок, как сообщается, приводит к травмам или смертельным исходам.

Для решения этой проблемы была разработана другая парадигма упражнений под названием «Беговое колесо»14. Беговое колесо также использует негативную реакцию дрозофилы на геотаксис, но вместо того, чтобы поднимать и сбрасывать мух, как в силовой башне, оно переворачивает флаконы с животными. В отличие от силовой башни, этот метод более щадящий по отношению к мухам и предотвращает травмы и смертность, связанные с физическими упражнениями. Тем не менее, мухи в колесе бега могут привыкнуть к вращательному движению, что может усложнить интерпретациюрезультатов. Чтобы решить эту проблему, был добавлен монитор двигательной активности (LAM25H, трикинетика) для измерения активности во время физических упражнений, количественной оценки активности дрозофилы и учета привыкания. Впоследствии название системы было изменено на Rotational Exercise Quantification System (REQS)12.

Интересно, что очень немногие исследования использовали естественные способности дрозофилы к полету для моделирования физических упражнений. Основное внимание в летных исследованиях уделялось аэродинамике и биомеханическим аспектам зависания и маневрирования в воздухе 15,16,17,18. В нескольких исследованиях изучались физиологические и клеточные механизмы, связанные с полетом19,20. В этих исследованиях способность к полету оценивали с помощью анализа полета21,22, в котором отдельных мух выпускали в прозрачную акриловую коробку и наблюдали их способность поддерживать устойчивую высоту и полет23.

В одном конкретном исследовании ученые изучили эффекты индуцированных полетных упражнений, помещая мух в бутылки, прикрепленные к вихревому вибростенду. Шейкер осторожно встряхивает бутылки через случайные промежутки времени от 5 до 10 минут, используя программируемый таймер19. В этом исследовании сообщалось, что индуцированное поведение в полете ускоряет старение и возрастную потерю антиоксидантной способности в летных мышцах. Основываясь на предыдущих исследованиях, наша лаборатория разработала новый протокол упражнений под названием FLEX (flight exercise) путем интеграции автоматизированной системы негативного геотаксиса с размещением мух в больших контейнерах24. Для обучения FLEX мухи были помещены в 1-галлонные прозрачные пластиковые барабанные аквариумы, привязанные к горизонтальной платформе, прикрепленной к двигателю. Мотор управлялся таймером, который инициировал обороты мотора каждые 5 минут. Каждый оборот поднимал платформу, а затем опускал ее вниз, запуская мух в полет. FLEX проводился ежедневно в течение 7 часов в течение 5 дней. Смертельных случаев или травм, связанных с физическими упражнениями, не наблюдалось24. Более того, 5-дневный режим FLEX у мух на западной диете (WD) заметно свел на нет неблагоприятные эффекты WD, улучшив выживаемость, поведение при скалолазании и митохондриальноедыхание. В совокупности эта статья представляет новую парадигму упражнений, основанную на естественной полетной активности, которая не приводит к травмам. Это высокопроизводительная процедура, которая позволяет одновременно обучать большое количество мух изучению взаимодействия между физическими упражнениями, диетой, лекарствами, старением, окружающей средой и/или генетикой. Протокол может быть использован в качестве дополнения к существующим методам упражнений для изучения влияния физической активности на физиологию и поведение мух.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Настройка и эксплуатация тренажера

  1. Соберите машину в Университетском механическом цехе. Используйте прямоугольное алюминиевое основание размером 35 мм x 35 мм x 1,4 мм с двигателем переменного/постоянного тока и горизонтальную алюминиевую платформу 35 мм x 35 мм x 0,5 мм (рис. 1A).
  2. Для преобразования вращательного движения в линейное движение постройте изготовленный на заказ вращающийся круглый кулачок диаметром 15 см, установленный на двигателе (рис. 1B). Прикрепите толкатель с роликом длиной 2 см к нижней части горизонтальной платформы так, чтобы платформа была поднята толкателем, а затем опустена обратно в исходное положение, как только ролик толкателя освободит кулачок.
  3. Отрегулируйте скорость двигателя с помощью роторного потенциометра таким образом, чтобы полный период вращения составлял около 5 360 мс.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Точные характеристики двигателя, размеры толкателя и ролика, а также геометрия кулачка не имеют решающего значения. Приемлема любая моторизованная конфигурация, которая надежно поднимает и опускает платформу для вытеснения мух и позволяет пользователю контролировать частоту сброса.
  4. Закрепите миски для рыбы объемом 1 галлон из прозрачного пластика на платформе с помощью эластичных шнуров, которые прикреплены к винтовым проушинам (Рисунок 1C).

2. Протокол FLEX

  1. Держите мух в инкубаторе или комнате с температурой 24 °C и влажностью 60% и 12-часовым циклом света/темноты.
  2. Собирайте мух соответствующего возраста в течение 3-4 дней после вылупления. После сбора случайным образом распределите мух по группам упражнений и сидячему образу жизни. Используйте равное количество мух как для упражнений, так и для сидячих групп.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Мухи могут размещаться с плотностью от 30 до 400 на миску, так как это не мешает тренировкам в полете. Тем не менее, экспериментальная и контрольная группы всегда должны быть сопоставимы по численности, полу и возрасту, чтобы обеспечить сопоставимость.
  3. Обеспечьте сидячих и контролируемых мух 7 мл корма. Закрепите флаконы с едой в мисках скотчем.
  4. Перенесите мух в чаши с помощью легкой и кратковременной анестезии CO2 за сутки до начала режима упражнений. Закройте отверстия чаш сеткой, закрепленной резинками.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Мух следует кратковременно обезболить под легким содержанием CO2 на подушечке. Воздействие должно оставаться коротким, чтобы избежать длительных поведенческих последствий; Поэтому анестезию следует проводить за 1 день до эксперимента с физической нагрузкой.
  5. Закрепите миски на платформе с помощью эластичных шнуров. Проводите тренировку в помещении с температурой 24 °C и влажностью 60%. Если влажность в помещении не контролируется, обеспечьте мухам доступ к воде, поместив в аквариумы флаконы с влажным хлопком и закрепив флаконы на стенке миски скотчем.
  6. Для контрольных экспериментов (фиктивных упражнений) поместите равное количество мух в миску, расположенную рядом с тренажером, но не прикрепленную к платформе.
  7. Физические упражнения летят 5 дней подряд.
    1. Управляйте двигателем с помощью двух таймеров (Рисунок 1D). Первый таймер включает и выключает машину в определенное время суток. Начинайте упражнения в 8 утра и заканчивайте в 3 часа дня.
    2. Используйте второй таймер, чтобы инициировать серию из трех оборотов двигателя, каждая из которых должна происходить каждые 5 минут. Каждый оборот будет поднимать платформу, а затем опускать ее вниз, запуская мухи в полет.
    3. После того, как физическая нагрузка в течение определенного дня будет завершена, верните миски в их инкубаторы. Этот протокол может быть легко модифицирован в соответствии с конкретным экспериментом.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Влажность ниже 60% может привести к увеличению смертности. Небольшое количество мух может не начать полет после первого падения, но обычно начинает полет после второго или третьего падения. Хотя невозможно отследить полет у каждого человека, большинство мух участвуют в полете, и предполагается, что все мухи в конечном итоге участвуют в упражнениях. Кроме того, большой контейнер обеспечивает пространство для произвольного полета между сбросами.
  8. В конце режима FLEX обездвижите мух, поместив миски в холодное помещение на 5 минут. Затем мух пересадят в новые флаконы с пищевыми продуктами для дальнейшего анализа фенотипических характеристик или в микроцентрифужные пробирки для молекулярного и/или биохимического анализа, представляющего интерес.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Примеры дальнейших анализов включают поведенческий и биохимический анализ и/или экспрессию генов. Анализы с участием живых мух должны быть проведены оперативно в соответствии с конкретными целями фенотипического анализа. Здесь протокол может быть приостановлен, а образцы для биохимии/молекулярной биологии заморожены и сохранены надлежащим образом, в зависимости от проводимой оценки. Краткое изложение протокола представлено в Таблице 1.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Протокол FLEX был ранее валидирован в опубликованной работе нашей лаборатории. В опубликованном исследовании мы показали, что упражнения в полете смягчают негативные метаболические эффекты западной диеты (WD)24. Эта диета была составлена на основе стандартной диеты Nutri-Fly Bloomington со следующими добавками: 15% органического продукта, сертифицированного Nutiva USDA, без ГМО, красное пальмовое масло, 15% сахарозы и 0,1 М NaCl.

Взросл...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Протокол FLEX представляет собой новый и физиологически значимый метод стимуляции аэробных упражнений у Drosophila melanogaster во время полета. В отличие от традиционных парадигм, таких как Power Tower и TreadWheel, которые полагаются на отрицательный геотаксис и механическое воздействие, FLEX использует врожденное поведение мухи в полете. Этот подход сводит к минимуму травмы, вызванные физическими упражнениями, и стрессовые реакции, что делает его более безопасной и биологичес...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Это исследование было поддержано NIDDK R01DK129455 (AKM).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
17 x 100 мм 14 мл полипропиленовой культуры VWR  60818-689
1-галлонные прозрачные
пластиковые барабанные аквариумы  		PetcoН/ДДоступно на Petco
8-розеточный сетевой фильтр с 7-дневным цифровым таймеромBN-LINK EGPH020028Доступно на Amazon
Двигатель переменного тока/постоянного тока и bbsp;Дейтон  Модель 12W368 с крутящим моментом 80 IN-LBS
Диета Bloomington Formulation Nutri-Fly  66-112Доступно у Genesee Scientific Inc., Сан-Диего, Калифорния
Ким-вайпыFisher Scientific06-666Kimberly-Clark Professional 34120
Многофункциональный программируемый таймер выхода с обратным отсчётом и бесконечным коротким цикломNEARPOW SPM10188153502Доступно на Amazon

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Ruegsegger, G. N., Booth, F. W. Health benefits of exercise. Cold Spring Harb Perspect Med. 8 (7), a029694(2018).
  2. Valenzuela, P. L., et al. Exercise benefits on Alzheimer's disease: State-of-the-science. Ageing Res Rev. 62, 101108(2020).
  3. Petridou, A., Siopi, A., Mougios, V. Exercise in the management of obesity. Metabolism. 92, 163-169 (2019).
  4. Fiuza-Luces, C., et al. Exercise benefits in cardiovascular disease: Beyond attenuation of traditional risk factors. Nat Rev Cardiol. 15 (12), 731-743 (2018).
  5. Neufer, P. D., et al. Understanding the cellular and molecular mechanisms of physical activity-induced health benefits. Cell Metab. 22 (1), 4-11 (2015).
  6. Hastings, M. H., et al. Animal models of exercise from rodents to pythons. Circ Res. 130 (12), 1994-2014 (2022).
  7. Garton, F. C., North, K. N., Koch, L. G., Britton, S. L., Nogales-Gadea, G., Lucia, A. Rodent models for resolving extremes of exercise and health. Physiol Genomics. 48 (2), 82-92 (2016).
  8. Sujkowski, A., Wessells, R. Using Drosophila to understand biochemical and behavioral responses to exercise. Exerc Sport Sci Rev. 46 (2), 112-120 (2018).
  9. Watanabe, L. P., Riddle, N. C. New opportunities: Drosophila as a model system for exercise research. J Appl Physiol. 127 (2), 482-490 (2019).
  10. Ding, M., Li, H., Zheng, L. Drosophila exercise, an emerging model bridging the fields of exercise and aging in human. Front Cell Dev Biol. 10, 966531(2022).
  11. Tinkerhess, M. J., Ginzberg, S., Piazza, N., Wessells, R. J. Endurance training protocol and longitudinal performance assays for Drosophila melanogaster. J Vis Exp. (61), e3786(2012).
  12. Watanabe, L. P., Riddle, N. C. Characterization of the rotating exercise quantification system (REQS), a novel Drosophila exercise quantification apparatus. PLoS One. 12 (10), e0185090(2017).
  13. Piazza, N., Gosangi, B., Devilla, S., Arking, R., Wessells, R. Exercise-training in young Drosophila melanogaster reduces age-related decline in mobility and cardiac performance. PLoS One. 4 (6), e5886(2009).
  14. Lowman, K. E., Wyatt, B. J., Cunneely, O. P., Reed, L. K. The TreadWheel: Interval training protocol for gently induced exercise in Drosophila melanogaster. J Vis Exp. (136), e57788(2018).
  15. Cheng, X., Sun, M. Wing-kinematics measurement and aerodynamics in a small insect in hovering flight. Sci Rep. 6, 25706(2016).
  16. Aono, H., Liang, F., Liu, H. Near- and far-field aerodynamics in insect hovering flight: An integrated computational study. J Exp Biol. 211 (Pt 2), 239-257 (2008).
  17. Bennett, L. Insect aerodynamics: Vertical sustaining force in near-hovering flight. Science. 152 (3726), 1263-1266 (1966).
  18. Fry, S. N., Sayaman, R., Dickinson, M. H. The aerodynamics of hovering flight in Drosophila. J Exp Biol. 208 (Pt 12), 2303-2318 (2005).
  19. Lane, S. J., Frankino, W. A., Elekonich, M. M., Roberts, S. P. The effects of age and lifetime flight behavior on flight capacity in Drosophila melanogaster. J Exp Biol. 217 (Pt 9), 1437-1443 (2014).
  20. Margotta, J. W., Roberts, S. P., Elekonich, M. M. Effects of flight activity and age on oxidative damage in the honey bee, Apis mellifera. J Exp Biol. 221 (Pt 14), jeb183228(2018).
  21. Bartholomew, N. R., Burdett, J. M., VandenBrooks, J. M., Quinlan, M. C., Call, G. B. Impaired climbing and flight behaviour in Drosophila melanogaster following carbon dioxide anaesthesia. Sci Rep. 5, 15298(2015).
  22. Chambers, R. P., et al. Nicotine increases lifespan and rescues olfactory and motor deficits in a Drosophila model of Parkinson's disease. Behav Brain Res. 253, 95-102 (2013).
  23. Pesah, Y., et al. Drosophila parkin mutants have decreased mass and cell size and increased sensitivity to oxygen radical stress. Development. 131 (9), 2183-2194 (2004).
  24. Murashov, A. K., et al. Preference and detrimental effects of high fat, sugar, and salt diet in wild-caught Drosophila simulans are reversed by flight exercise. FASEB Bioadv. 3 (1), 49-64 (2021).
  25. Murashov, A. K., et al. Paternal Western diet causes transgenerational increase in food consumption in Drosophila with parallel alterations in the offspring brain proteome and microRNAs. FASEB J. 37 (6), e22966(2023).
  26. Van der Horst, D. J. Insect adipokinetic hormones: Release and integration of flight energy metabolism. Comp Biochem Physiol B Biochem Mol Biol. 136 (2), 217-226 (2003).
  27. Suarez, R. K. Energy metabolism during insect flight: Biochemical design and physiological performance. Physiol Biochem Zool. 73 (6), 765-771 (2000).
  28. Lehmann, F. O., Skandalis, D. A., Berthe, R. Calcium signalling indicates bilateral power balancing in the Drosophila flight muscle during manoeuvring flight. J R Soc Interface. 10 (82), 20121050(2013).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Drosophila

Похожие статьи